(57)【要約】【課題】  衛星航法システムにおいて測位精度、受信感度、測位中断時の外挿精度の向上を図る。【解決手段】  演算機３００において観測量補正部３３０はＧＰＳ受信機の出力した擬似距離とドップラー量とに基づく衛星と受信機との距離と距離変化率を観測値として出力する。相対運動計算部３４０は前回の測位演算結果である移動体位置／速度に基づく距離と距離変化率を計算値として出力する。残差計算部３５０は観測値と計算値との差を残差として出力する。測位演算部３７０は残差とクロック誤差に基づいてカルマンフィルタ処理により測位演算を行う。このカルマンフィルタ処理においてクロック誤差をクロックバイアスとクロックドリフトとクロックバイアス加速度との３次系とすることを特徴とする。また、クロックリセット検出／補償部３６０で受信機のクロックリセットに伴うクロック誤差の補償処理においてクロック誤差を３次系で処理することも特徴とする。【選択図】        図４
2006189320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロックを備える受信機であり測位信号を受信する受信機の出力データを入力し、受信機の備えるクロックの誤差に対応してカルマンフィルタを用いて測位対象に対する測位演算を行う測位演算機において、
受信機の備えるクロックの誤差を、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスとクロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトとクロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度とで表してカルマンフィルタの処理をして測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする測位演算機。
【請求項２】
クロックを備える受信機であり測位信号を受信する受信機の出力データを入力して測位対象に対する測位演算を行う測位演算機であり、受信機がクロックをリセットした場合にリセットされた分のクロックの誤差に対応して測位対象に対する測位演算を行う測位演算機において、
受信機がクロックをリセットした場合に、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスに、クロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトに対応する距離分の値を加算して、測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする測位演算機。
【請求項３】
受信機がクロックをリセットした場合に、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスに、クロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度に対応する距離分の値を加算して、測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする請求項２記載の測位演算機。
【請求項４】
衛星から航法メッセージを含む測位信号を受信するアンテナと基準信号を生成するためのクロックとを備え、アンテナから受信した測位信号とクロックで生成された基準信号との位相差に基づいて衛星と測位対象間の距離を算出し、受信した測位信号と衛星が発信した測位信号との周波数差に関する情報をドップラー量として算出し、受信した測位信号に含まれる航法メッセージと算出した距離と算出したドップラー量とを出力する受信機と、
測位対象の位置と測位対象の速度とを演算して出力する測位演算機であり、
受信機が出力した航法メッセージを入力し、入力した航法メッセージに基づいて衛星の位置と衛星の速度とを計算し出力する衛星位置／速度計算部と、
測位演算機が出力した測位対象の位置と衛星位置／速度計算部が出力した衛星の位置と受信機が出力した航法メッセージとを入力し、入力した測位対象の位置と衛星の位置と航法メッセージとに基づいて受信機が出力した距離に対する補正量を計算すると共に、受信機が出力したドップラー量に基づく衛星と測位対象との距離方向における相対速度を距離変化率として、入力した測位対象の位置と衛星の位置と航法メッセージとに基づいて距離変化率に対する補正量を計算し、計算した距離に対する補正量と距離変化率に対する補正量とを出力する距離補正計算部と、
受信機が出力した距離とドップラー量とを観測量として入力すると共に、距離補正計算部が出力した距離に対する補正量と距離変化率に対する補正量とを入力し、入力した距離に入力した距離に対する補正量を加算すると共に、入力したドップラー量に基づく衛星と測位対象との距離方向における相対速度を距離変化率として、距離変化率に入力した距離変化率に対する補正量を加算し、補正量を加算した距離と距離変化率とを出力する観測量補正部と、
測位演算機が出力した測位対象の位置と測位対象の速度と衛星位置／速度計算部が出力した衛星の位置と衛星の速度とを入力し、衛星と測位対象間の距離と、衛星と測位対象の距離方向における相対速度を示す距離変化率とを計算し出力する相対運動計算部と、
観測量補正部が出力した距離と距離変化率と相対運動計算部が出力した距離と距離変化率とを入力し、観測量補正部から入力した距離と相対運動計算部から入力した距離との差分と観測量補正部から入力した距離変化率と相対運動計算部から入力した距離変化率との差分とを計算し残差として出力する残差計算部と、
残差計算部が出力した残差を入力し、受信機の備えるクロックの誤差を、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスとクロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトとクロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度とで表し、入力した残差に基づいてクロックの誤差をクロックバイアスとクロックドリフトとクロックバイアス加速度としてカルマンフィルタの処理をして測位対象に対する測位演算を行い、測位演算で算出した測位対象の位置と測位対象の速度とを出力する測位演算部と
を備えたことを特徴とする測位装置。
【請求項５】
クロックを備える衛星から航法メッセージを含む測位信号を受信するアンテナと基準信号を生成するためのクロックとを備え、アンテナから受信した測位信号とクロックで生成させた基準信号との位相差に基づいて衛星と測位対象間の距離を算出し、受信した測位信号と衛星が発信した測位信号との周波数差に関する情報をドップラー量として算出し、受信した測位信号に含まれる航法メッセージと算出した距離と算出したドップラー量とを出力する受信機であり、受信機の備えるクロックと衛星の備えるクロックとの同期が取れない場合にクロックをリセットする受信機と、
測位対象の位置と測位対象の速度と受信機の備えるクロックの誤差とを演算して出力する測位演算機であり、
受信機が出力した航法メッセージを入力し、入力した航法メッセージに基づいて衛星の位置と衛星の速度とを計算し出力する衛星位置／速度計算部と、
測位演算機が出力した測位対象の位置と衛星位置／速度計算部が出力した衛星の位置と受信機が出力した航法メッセージとを入力し、入力した測位対象の位置と衛星の位置と航法メッセージとに基づいて受信機が出力した距離に対する補正量を計算すると共に、受信機が出力したドップラー量に基づく衛星と測位対象との距離方向における相対速度を距離変化率として、入力した測位対象の位置と衛星の位置と航法メッセージとに基づいて距離変化率に対する補正量を計算し、計算した距離に対する補正量と距離変化率に対する補正量とを出力する距離補正計算部と、
受信機が出力した距離とドップラー量とを観測量として入力すると共に、距離補正計算部が出力した距離に対する補正量と距離変化率に対する補正量とを入力し、入力した距離に入力した距離に対する補正量を加算すると共に、入力したドップラー量に基づく衛星と測位対象との距離方向における相対速度を距離変化率として、距離変化率に入力した距離変化率に対する補正量を加算し、補正量を加算した距離と距離変化率とを出力する観測量補正部と、
測位演算機が出力した測位対象の位置と測位対象の速度と衛星位置／速度計算部が出力した衛星の位置と衛星の速度とを入力し、衛星と測位対象間の距離と、衛星と測位対象の距離方向における相対速度を示す距離変化率とを計算し出力する相対運動計算部と、
観測量補正部が出力した距離と距離変化率と相対運動計算部が出力した距離と距離変化率とを入力し、観測量補正部から入力した距離と相対運動計算部から入力した距離との差分と観測量補正部から入力した距離変化率と相対運動計算部から入力した距離変化率との差分とを計算し残差として出力する残差計算部と、
測位演算機が出力したクロックの誤差を入力し、受信機がクロックをリセットした場合に、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスに、クロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトに対応する距離分の値を加算する計算を行い出力するリセット計算部と、
残差計算部が出力した残差とリセット計算部が出力したクロックバイアスとを入力し、入力した残差とクロックバイアスとに基づいて測位対象に対する測位演算を行い、測位対象の位置と測位対象の速度とクロックの誤差とを出力する測位演算部と
を備えたことを特徴とする測位装置。
【請求項６】
上記リセット計算部は、
受信機がクロックをリセットした場合に、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスに、クロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度に対応する距離分の値を加算する計算を行い出力することを特徴とする請求項５記載の測位装置。
【請求項７】
クロックを備える受信機であり測位信号を受信する受信機の出力データを入力し、受信機の備えるクロックの誤差に対応してカルマンフィルタを用いて測位対象に対する測位演算を行う測位演算機の測位演算方法において、
受信機の備えるクロックの誤差を、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスとクロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトとクロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度とで表してカルマンフィルタの処理をして測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする測位演算方法。
【請求項８】
クロックを備える受信機であり測位信号を受信する受信機の出力データを入力して測位対象に対する測位演算を行う測位演算機であり、受信機がクロックをリセットした場合にリセットされた分のクロックの誤差に対応して測位対象に対する測位演算を行う測位演算機の測位演算方法において、
受信機がクロックをリセットした場合に、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスに、クロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトに対応する距離分の値を加算して、測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする測位演算方法。
【請求項９】
受信機がクロックをリセットした場合に、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスに、クロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度に対応する距離分の値を加算して、測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする請求項８記載の測位演算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星航法システムにおける測位演算機、測位装置および測位演算方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）／ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）受信機においては、衛星・受信機間の伝播時間を計測し、伝播時間に光速を乗じることで測距を行った後、測距した距離情報を用いて測位計算を行う。伝播時間計測に使用される基準信号は受信機内のクロックにより生成される。そのため、位置・速度を正確に計測するには極めて安定なクロックが必要とされる。そこで、高性能受信機では温度補償付の高精度水晶クロック（ＴＣＸＯ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｘｔａｌ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）が使用される。
また、カルマンフィルタ等によりクロックバイアスとクロックドリフトの推定・補償が行われる（非特許文献１）。
【非特許文献１】Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｒａｎｄｏｍ  Ｓｉｇｎａｌｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｋａｌｍａｎ  Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，３ｒｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，  Ｒ．  Ｇ．  Ｂｒｏｗｎ  ａｎｄ  Ｐ．  Ｙ．  Ｃ．  Ｈｗａｎｇ，  Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，  １９９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
但し、ＴＣＸＯは比較的高価であるため、温度補償無しのＸＯを使用することがコスト的には望ましい。しかし、この場合、測位精度、感度、測位中断時の外挿精度の性能が低下する。
また、クロックバイアス誤差が過大となりＧＰＳ時刻との同期がとれなくなった場合、受信機はクロックをリセットすることで時刻整合を行う。この際、廉価な水晶発信器（ＸＯ）を使用する受信機ではクロックドリフトおよびそのレートの変化率が大きいため、リセット時に速度、位置に不連続が発生する。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、温度補償無しのＸＯのように精度の低いクロックを用いた受信機で測位信号を受信して測位を行う場合にでも測位精度を向上できるようにすることを目的とする。
また、受信機の受信感度を向上できるようにすることを目的とする。
また、測位信号の受信が絶たれた場合に行う外挿による測位についても測位精度を向上できるようにすることを目的とする。
また、受信機のクロックのリセット時においても算出する移動体の位置、速度の不連続性を縮小することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の測位演算機は、受信機の備えるクロックの誤差を、クロックの誤差に基づく測位対象の位置の誤差を示すクロックバイアスとクロックの誤差に基づく測位対象の速度の誤差を示すクロックドリフトとクロックの誤差に基づく測位対象の加速度の誤差を示すクロックバイアス加速度とで表してカルマンフィルタの処理をして測位対象に対する測位演算を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、温度補償無しのＸＯのように精度の低いクロックを用いた受信機で測位信号を受信して測位を行う場合にでも測位精度を向上することができる。
また、受信機の受信感度を向上することができる。
また、測位信号の受信が絶たれた場合に行う外挿による測位についても測位精度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における測位装置１００の構成図である。
図１において、測位装置１００は、ＧＰＳ受信機２００と演算機３００とを備える。
ＧＰＳ受信機２００は、ＧＰＳ、ＧＮＳＳの航法メッセージを含む測位信号を受信する。そして、受信した測位信号の伝搬時間に基づいて測位信号を発信したＧＰＳ衛星からの擬似距離を算出する。また、受信した測位信号の周波数に基づいてＧＰＳ衛星との距離方向における相対速度をドップラー量として算出する。
また、演算機３００は、ＧＰＳ受信機２００から擬似距離とドップラー量と航法メッセージとを入力し測位演算を行う。
【０００８】
図２は、実施の形態１における測位装置１００、ＧＰＳ受信機２００、演算機３００のハードウェア構成図である。
図２において、測位装置１００、ＧＰＳ受信機２００、演算機３００は、プログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）９１１を備えている。但し、測位装置１００とＧＰＳ受信機２００と演算機３００とがそれぞれＣＰＵ９１１および以下のハードウェアを備えていてもよいし、ＣＰＵ９１１および以下のハードウェアを共有しても構わない。
ＣＰＵ９１１は、バス９１２を介してＲＯＭ９１３、ＲＡＭ９１４、通信ボード９１５、磁気ディスク装置９２０と接続されている。
ＲＡＭ９１４は、揮発性メモリの一例である。ＲＯＭ９１３、磁気ディスク装置９２０は、不揮発性メモリの一例である。これらは、記憶装置あるいは記憶部の一例である。
通信ボード９１５は、ＦＡＸ機、電話器、ＬＡＮ、インターネット等に接続されている。
例えば、通信ボード９１５は、情報入力部の一例であり、出力部の一例である。
【０００９】
磁気ディスク装置９２０には、オペレーティングシステム（ＯＳ）９２１、プログラム群９２３、ファイル群９２４が記憶されている。プログラム群９２３は、ＣＰＵ９１１、ＯＳ９２１により実行される。
【００１０】
上記プログラム群９２３には、以下に述べる実施の形態の説明において「〜部」として説明する機能を実行するプログラムが記憶されている。プログラムは、ＣＰＵ９１１により読み出され実行される。
ファイル群９２４には、以下に述べる実施の形態の説明において、「〜の判定結果」、「〜の計算結果」、「〜の処理結果」、「〜の更新結果」、「〜の外挿結果」のような表現で説明する結果情報が、「〜ファイル」として記憶されている。
また、以下に述べる実施の形態の説明において説明するフローチャートの矢印の部分は主としてデータの入出力を示し、そのデータの入出力のためにデータは、磁気ディスク装置９２０、ＦＤ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｄｉｓｋ  ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）、光ディスク、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＭＤ（ミニディスク）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）、その他の記録媒体に記録される。あるいは、信号線やその他の伝送媒体により伝送される。
【００１１】
また、以下に述べる実施の形態の説明において「〜部」として説明するものは、ＲＯＭ９１３に記憶されたファームウェアで実現されていても構わない。或いは、ソフトウェアのみ、或いは、ハードウェアのみ、或いは、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせ、さらには、ファームウェアとの組み合わせで実施されても構わない。
【００１２】
また、以下に述べる実施の形態を実施するプログラムは、磁気ディスク装置９２０、ＦＤ、光ディスク、ＣＤ、ＭＤ、ＤＶＤ、その他の記録媒体による記録装置を用いて記憶されても構わない。
【００１３】
図３は、実施の形態１におけるＧＰＳ受信機２００の構成図である。
図３において、ＧＰＳ受信機２００はＧＰＳアンテナ２１０、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）フロントエンド処理部２２０、ＸＯ２３０、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）変換部２４０、ベースバンドチップ処理部２５０を備える。
ＧＰＳ受信機２００では、まず、ＧＰＳアンテナ２１０が、ＧＰＳ、ＧＮＳＳの測位信号を受信する。
そして、ＸＯ２３０は、例えば２０ＭＨｚ程度の基準信号を生成する。
次に、ＲＦフロントエンド処理部２２０は、受信した測位信号に対する高周波のアナログ処理を行う。具体的には、約１．５ＧＨｚの測位信号を直接デジタル処理することは困難であるため、ＸＯ２３０が生成した基準信号を使ってミキシングを行い、差の周波数信号を取り出す。そして、ミキシング処理を複数回行うことで、最終的に、測位信号の周波数を２ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ程度まで落とす処理を行う。
次に、Ａ／Ｄ変換部２４０は、ＲＦフロントエンド処理部２２０が処理した測位信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換の前に、エイリアシング等の影響を避けるためにフィルタ処理を行っても良い。フィルタ処理では高周波フィルタとして一般的にＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）フィルタが使用される。
ベースバンドチップ処理部２５０は、デジタルに変換された測位信号にスペクトラム逆拡散を行う。スペクトラム逆拡散を行うことにより、ＧＰＳ衛星がスペクトラム拡散して発信した測位信号から、スペクトラム拡散前の搬送波を抽出する。次に、スペクトラム逆拡散を行って抽出した搬送波とＸＯ２３０で生成した基準信号との位相差（チップ時間）を検出する。そして、検出した位相差（測位信号の伝搬時間）に光速を乗じて、測位信号を発信したＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信機２００間の擬似距離を算出する。また、受信した測位信号の周波数とＧＰＳ  Ｌ１信号の基準周波数である１５７５．４２ＭＨｚとの周波数差をドップラー周波数として、ドップラー周波数に基づいて擬似距離の距離方向におけるＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信機２００との相対速度をドップラー量として算出する。
【００１４】
図４は、実施の形態１における演算機３００の構成図である。
図４において、演算機３００は距離補正計算部３１０、衛星位置／速度計算部３２０、観測量補正部３３０、相対運動計算部３４０、残差計算部３５０、リセット検出／補償部３６０、測位演算部（カルマンフィルタ）３７０を備える。
演算機３００は、ＧＰＳ受信機２００から擬似距離とドップラー量と航法メッセージとを入力し、測位演算部３７０で測位演算を行い、ＧＰＳ受信機２００を備えた測位対象である移動体の位置、速度およびＧＰＳ受信機２００で発生したＸＯ２３０のクロック誤差を出力する。ここで、演算機３００は、測位演算部３７０が出力した移動体位置、移動体速度、クロック誤差を、ＧＰＳ受信機２００が出力する擬似距離、ドップラー量、航法メッセージと共に次の測位演算時に入力して測位演算を行う。そして、このフィードバック処理により測位精度を向上する。
【００１５】
まず、衛星位置／速度計算部３２０は、ＧＰＳ受信機２００から航法メッセージを入力し、入力した航法メッセージに基づいて衛星位置、衛星速度を算出する。
【００１６】
そして、距離補正計算部３１０は、ＧＰＳ受信機２００が出力した航法メッセージと測位演算部３７０が出力した移動体位置と衛星位置／速度計算部３２０が出力した衛星位置とを入力し、ＧＰＳ受信機２００が出力した擬似距離とドップラー量のそれぞれに対する補正量を算出する。
補正量とは、ＧＰＳ受信機２００の算出した擬似距離、ドップラー量に含まれる誤差を補正するためのものである。この擬似距離とドップラー量とに含まれる誤差には、受信した測位信号が電離層、対流圏の影響を受けることによる誤差、ＧＰＳ衛星の備えるクロックの誤差、ＧＰＳ受信機２００のＸＯ２３０のクロック誤差が存在する。そして、距離補正計算部３１０は、このうちの電離層および対流圏による誤差とＧＰＳ衛星のクロック誤差とを算出する。ＧＰＳ受信機２００のクロック誤差については、測位演算部３７０が算出し、観測量補正部３３０が入力してクロック誤差に対する演算を行う。
そこで、距離補正計算部３１０は、まず、測位演算部３７０から入力した移動体位置と衛星位置／速度計算部３２０から入力した衛星位置とに基づいて、移動体のＧＰＳ衛星に対する相対位置関係から仰角を求める。また、移動体位置から移動体の位置する高度を取得する。また、ＧＰＳ受信機２００が出力した航法メッセージから電離層の情報を取得する。そして、ＧＰＳ衛星の仰角、移動体の高度、電離層の情報などに基づいて電離層および対流圏による誤差を算出する。電離層および対流圏による誤差の算出方法は、例えば「Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ：Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｖｏｌｕｍｅ，１９９６，ＡＩＡＡ，Ｐａｒｋｉｎｓｏｎ，Ｂ．Ｗ．ａｎｄＳｐｉｋｌｅｒ，Ｊ」に記される。また、ＧＰＳ衛星のクロック誤差は航法メッセージから取得する。
【００１７】
次に、観測量補正部３３０では、ＧＰＳ受信機２００から擬似距離とドップラー量を入力し、距離補正計算部３１０から擬似距離とドップラー量のそれぞれに対する補正量を入力し、測位演算部３７０からクロック誤差を入力する。
測位演算部３７０から入力するクロック誤差はクロックバイアスとクロックドリフトで示され、クロックバイアスはクロックの誤差時間に光速を乗じた距離の値で、クロックドリフトはクロックドリフトを時間で微分した速度の値である。
ここで、ＧＰＳ受信機２００から入力した擬似距離をρ、ドップラー量をρ’、距離補正計算部３１０から入力した擬似距離に対する補正量をΔρ、ドップラー量に対する補正量をΔρ’、測位演算部３７０から入力したクロック誤差のクロックバイアスをｔｃｂ、クロックドリフトをｔｃｄとする。
そして測位演算部３７０は、ρ＋Δρ＋ｔｃｂを衛星と移動体間の距離の観測値、ρ’＋Δρ’＋ｔｃｄを衛星と移動体間の距離変化率の観測値として出力する。
【００１８】
また、相対運動計算部３４０では、衛星位置／速度計算部３２０から衛星位置と衛星速度を入力し、測位演算部３７０から移動体位置と移動体速度を入力する。そして、衛星位置と移動体位置間の距離をρC、衛星速度と移動体速度との間の距離変化率（衛星と移動体との距離方向における相対速度）をρ’Cとして算出して出力する。
【００１９】
次に、残差計算部３５０は、観測量補正部３３０から衛星と移動体間の距離の観測値ρ＋Δρ＋ｔｃｂと衛星と移動体間の距離変化率の観測値ρ’＋Δρ’＋ｔｃｄを入力し、相対運動計算部３４０から衛星と移動体間の距離の計算値ρCと衛星と移動体間の距離変化率ρ’Cの計算値を入力する。そして、観測値と計算値の差を残差として算出して出力する。つまり、衛星と移動体間の距離の残差は（ρ＋Δρ＋ｔｃｂ）−ρCであり、衛星と移動体間の距離変化率の残差は（ρ’＋Δρ’＋ｔｃｄ）−ρ’Cである。
また、残差計算部３５０は、観測量補正部３３０からクロック誤差を入力し、入力したクロック誤差を出力する。
【００２０】
次に、リセット検出／補償部３６０は、残差計算部３５０から残差とクロック誤差を入力する。
ここで、演算機３００は、ＧＰＳ受信機２００においてクロックのリセットが行われたか判定するための閾値を記憶部に記憶するものとする。例えば、ＧＰＳのＣ／Ａコードの周期である１ｍｓｅｃに対応して、１ｍｓｅｃに光速を乗じたおおよその距離である３００ｋｍを閾値として記憶する。ただし、閾値はその他の値、例えば、ＧＰＳ受信機２００のクロックリセットに関する仕様に基づく値などであっても構わない。
そして、リセット検出／補償部３６０は、記憶部に記憶された閾値と残差計算部３５０から入力した距離の残差とを比較し、残差が閾値より大きい場合はＧＰＳ受信機２００においてクロックのリセットが行われたものと判定する。但し、リセット検出／補償部３６０は、ＧＰＳ受信機２００から直接にリセットの有無の情報を取得して、取得した情報に基づいてリセットの有無を判定しても構わない。
【００２１】
リセット検出／補償部３６０は、ＧＰＳ受信機２００においてクロックのリセットが行われたと判定した場合、以下の式１を計算してクロック誤差を修正し、リセットに対する補償を行う。
【００２２】
【数１】
2006189320.tif 000003
【００２３】
上記式１において、ｔｃｂ，ｋは、ある観測（ｋ）時におけるクロックバイアスを示し、ｔｃｄ，ｋは、ある観測時におけるクロックドリフトを示し、ｔｃａ，ｋは、ある観測時におけるクロックドリフトを時間で微分した加速度の値（クロックバイアス加速度）を示す。また、Δｔはリセット時のオフセットされた時間を示し、ｃは光速を示す。
【００２４】
従来、ＧＰＳ受信機２００のクロックのリセットに対する補償においては、以下の式２の計算が行われていた。
【００２５】
【数２】
2006189320.tif 000004
【００２６】
上記式２に示すように、従来は、クロックバイアスの値にオフセット分の距離（ｃ×Δｔ）を加算することでクロックのリセットに対する補償を行っていた。
【００２７】
上記式１は、従来の式２に比べ、クロックバイアス（ｔｃｂ，ｋ）の計算にオフセット時間内のクロックドリフトによる変位距離（Δｔ×ｔｃｄ，ｋ）を加えている。これにより、例えば、クロックのリセットにより１ｍｓｅｃのオフセットがされた場合で、クロックドリフトが３００ｍ／ｓであれば従来の式２に対して約３ｍの誤差を補正することができ、オフセットされた時間やクロックドリフトの値が大きければ更に誤差を補正することができる。つまり、測位精度を高めることができる。
また、上記式１では、従来の式２に比べ、クロックバイアス加速度（ｔｃａ，ｋ）分の計算を加えている。これにより、上記同様に測位精度を高めることができる。
クロックのリセットに対する補償のための計算において、クロックドリフトによる変位距離（Δｔ×ｔｃｄ，ｋ）を加えたこと及びクロックバイアス加速度（ｔｃａ，ｋ）分の計算を加えたことは、それぞれ、実施の形態１における測位装置１００、演算機３００の特徴点である。
【００２８】
リセット検出／補償部３６０は上記処理後、残差計算部３５０にクロック誤差を出力する。
【００２９】
次に、測位演算部３７０は、残差計算部３５０から距離の残差と距離変化率の残差とクロック誤差とを入力し、カルマンフィルタ処理を行って移動体に対する測位演算を行い、移動体位置、移動体速度、クロック誤差を出力する。
【００３０】
図５は、実施の形態１における測位演算部３７０の構成図である。
測位演算部３７０のカルマンフィルタ処理について、図５に基づいて以下に説明する。
【００３１】
以下、式中で使用する上付きの「＋」は、カルマン処理後の推定値であることを示し、上付きの「−」はカルマン処理前の予測値であることを示す。また、上付きの「Ｔ」は転置行列であることを示し、上付きの「−１」は逆行列であることを示す。また、下付きの「ｋ」は観測の時期を示す。ここでは、「ｋ」が前回の観測に対応し、「ｋ＋１」が「ｋ」から１サンプリング時間経過した今回の観測に対応する。
【００３２】
測位演算部３７０は、時間外挿処理部３７１と観測更新処理部３７２とを備える。
【００３３】
まず、時間外挿処理部３７１は、カルマンフィルタ処理済みの移動体の状態量Ｘ（移動体位置、移動体速度、クロック誤差）に状態量の推移を示す推移行列Φを適用して１サンプリング時間分外挿し、状態量Ｘの予測値を求める。計算式を式３に示す。
【００３４】
【数３】
2006189320.tif 000005
【００３５】
次に、時間外挿処理部３７１は、誤差共分散行列Ｐに対する外挿を行い、誤差共分散行列Ｐの予測値を求める。計算式を式４に示す。
【００３６】
【数４】
2006189320.tif 000006
【００３７】
上記式４において、Ｑはプロセスノイズ行列を示し、移動体のダイナミクスに対応して算出されるものである。
【００３８】
次に、観測更新処理部３７２は、カルマンゲイン行列Ｋを求める。計算式を式５に示す。
【００３９】
【数５】
2006189320.tif 000007
【００４０】
上記式５において、Ｈは観測行列を示し、衛星と移動体の幾何学的関係から方向余弦ベクトルを求めることで算出されるものである。また、Ｒは観測ノイズ行列を示し、Ｃ／Ｎ（Ｃａｒｒｉｅｒ／Ｎｏｉｓｅ）比や仰角などのＧＰＳ受信機２００の受信状態に対応して算出されるものである。
【００４１】
次に、観測更新処理部３７２は、式５で求めたカルマンゲイン行列Ｋを用いて、時間外挿処理部３７１が求めた誤差共分散行列Ｐの予測値を更新して、誤差共分散行列Ｐの推定値を求める。計算式を式６に示す。
【００４２】
【数６】
2006189320.tif 000008
【００４３】
次に、観測更新処理部３７２は、式５で求めたカルマンゲイン行列Ｋを用いて、時間外挿処理部３７１が求めた状態量Ｘの予測値を更新して、状態量Ｘの推定値を求める。計算式を式７に示す。
【００４４】
【数７】
2006189320.tif 000009
【００４５】
上記式７において、Ｚは観測量ベクトルを示し、残差計算部３５０の算出した残差をクロック誤差として含む移動体の観測量（移動体位置、移動体速度、クロック誤差）である。
【００４６】
測位演算部３７０は、上記の処理を行い、求めた状態量Ｘ（移動体位置、移動体速度、クロック誤差）を出力する。そして、出力した移動体位置が測位装置１００の測位結果になる。また、出力した移動体位置、移動体速度、クロック誤差は次回の測位演算処理時に演算機３００の入力になる。
【００４７】
また、測位演算部３７０の観測更新処理部３７２が求めた状態量Ｘの推定値と誤差共分散行列Ｐの推定値は、次回の状態量外挿処理時（式３）と誤差共分散外挿処理時（式４）に時間外挿処理部３７１の入力になる。
【００４８】
次に、測位演算部３７０が行うカルマンフィルタ処理時の実施の形態１における特徴点について説明する。
図６は、従来のクロック誤差モデルを示す図である。
図６のクロック誤差モデルは、測位演算部３７０の時間外挿処理部３７１が状態量外挿処理（式３）と誤差共分散外挿（式４）で使用する推移行列Φの行列要素のうち、クロック誤差の推移を示す部分についての従来モデルを示している。この従来のクロック誤差モデルを数式で表したものを式８に示す。
【００４９】
【数８】
2006189320.tif 000010
【００５０】
上記式８において、ＴSはサンプリング間隔を示し、前回の測位演算時からの経過時間のことである。また、Ｗｃｂ，ｋとＷｃｄ，ｋはそれぞれクロックバイアスとクロックドリフトに対するホワイトノイズであり、このホワイトノイズは平均値がゼロで分散が既知である。また、図６のクロック誤差モデルとの関係において、Ｗｃｂ，ｋとＷｃｄ，ｋはそれぞれＷｂとＷｄを離散系に置き換えたものである。
【００５１】
ここで、実施の形態１のように、水晶クロックに温度補償付きであるＴＣＸＯではなく、温度補償無しであるＸＯを使用する場合、クロックの精度が悪いためクロックバイアス加速度が大きくなるという課題がある。しかし、上記に示す従来のクロック誤差モデルは、クロックバイアスとクロックドリフトからなる２次元系のモデルであり、クロックバイアス加速度の影響を除去できず測位精度が悪くなるという課題がある。
【００５２】
図７は、実施の形態１におけるクロックバイアスを示すグラフである。
図８は、実施の形態１におけるクロックドリフトを示すグラフである。
実施の形態１のように温度補償無しであるＸＯを使用する場合、クロックバイアスは図７に示すように変化する。図８は、クロックバイアスを微分したクロック速度を示すクロックドリフトの変化である。値が大きく変化していることからクロックドリフトを微分したクロック加速度の値が大きいということが分かる。
【００５３】
そこで、実施の形態１ではクロックバイアス加速度の影響を除去するためのクロック誤差モデルを使用する。
図９は、実施の形態１におけるクロック誤差モデルを示す図である。この実施の形態１におけるクロック誤差モデルを数式で表したものを式９に示す。
【００５４】
【数９】
2006189320.tif 000011
【００５５】
実施の形態１におけるクロック誤差モデルでは、従来のクロック誤差モデルにクロックバイアス加速度ｔｃａ，ｋ分を付加している。つまり、クロックバイアスｔｃｂ，ｋには加速度から求めた距離の値（ｔｃａ，ｋ）×（Ｔｓ2／２）を加え、クロックドリフトｔｃｄ，ｋには加速度から求めた速度の値（ｔｃａ，ｋ）×Ｔｓを加えている。
【００５６】
図１０は、実施の形態１におけるクロックバイアス加速度を示すグラフである。
図８のクロックドリフトの変化に比べ、図１０のクロックバイアス加速度の変化は少ないことがわかる。このため、クロックバイアス加速度の影響を除去することで、温度補償無しであるＸＯを使用した場合でも高い精度で測位することができるといえる。
【００５７】
上記のように、クロック誤差モデルがクロックバイアス、クロックドリフトおよびクロックバイアス加速度の３次元系のモデルであることは、実施の形態１における特徴点である。
【００５８】
上記実施の形態１では、ＧＰＳ衛星からの信号により移動体の位置・速度を計算する測位装置１００において、搭載クロックのドリフト誤差の変化率を推定する機能とクロックリセット時の不連続を解消する機能を付加したことがポイントであることを示した。
【００５９】
つまり、従来の測位演算部では、クロック誤差モデルがクロックバイアスおよびクロックドリフトレートからなる２次系であったが、安定性が低い低価格のクロックにおいても高い精度を得るために、クロックバイアス加速度を加えた３次系としてカルマンフィルタのダイナミクスを構成し、推定を行うことがポイントの１つである。
２次系モデルでは、クロックバイアス加速度がガウスノイズであることを仮定するが、廉価な温度補償無しクロック（ＸＯ）を使用する場合は、相関成分を有するクロックバイアス加速度が発生し、この仮定は成り立たない。このため、カルマンフィルタによる推定精度が低下し、誤差を拡大させてしまう。そこで、実施の形態１では、クロックバイアス加速度を変動するバイアス成分（ランダムウォークプロセス）としてモデル化することで、誤差の拡大の防止を図った。
【００６０】
これにより、カルマンフィルタにより推定される位置・速度の精度が向上し、また、速度推定精度が向上することでドップラ積算の高精度化が可能になり受信感度が向上する。さらに、クロックの動的モデルを高精度に推定することで、衛星追尾断となった場合の位置・速度推定精度が向上する。
ここで、受信感度が向上することについて説明を加える。ＧＰＳの信号は極めて微弱であるが、１ｍｓｅｃ周期のＣ／Ａコードが２０回連続して送信されており、５０Ｈｚの航法メッセージの各サンプルの間までは積分を行うことができる。また、信号を二乗した後に２０ｍｓｅｃ以上の周期で積分を行うことで、更に感度を上げることができる。但し、この積分の間に衛星とＧＰＳ受信機の間のドップラー遷移が変わるため、補正を行いながら積分を行う必要がある。この補正を行うためにドップラー遷移量を積算して行き、これをドップラー積算という。この補正を高精度に行うには、ドップラー遷移量を正確に推定することが必要で、移動体の速度の推定精度を向上させることが必要となる。つまり、実施の形態１により受信感度が向上するということの理由である。
次に、衛星追尾断となった場合に位置・速度推定精度が向上することについて説明を加える。衛星追尾断の場合、位置は速度外挿することで求められるが、従来方式では速度においてクロックバイアス加速度の影響を除去できないのに対して、実施の形態１では除去できるため、速度の推定精度が相対的に良く、外挿した位置の精度も向上する。
【００６１】
また、リセット検出／補償部３６０において、クロックのリセットを補償したクロックバイアスとクロックドリフトを算出するのにクロックドリフトによる変位距離（Δｔ×ｔｃｄ，ｋ）を加えること及びクロックバイアス加速度（ｔｃａ，ｋ）分の計算を加えることがそれぞれポイントである。
ＧＰＳ受信機２００では、クロックバイアス誤差を小さな値に保つため、誤差が一定の閾値を超えた場合にリセット処理を行う。この際、連続的なダイナミクスを仮定するカルマンフィルタにおいてはリセットによる不連続を検出・補償しないと移動体の位置・速度推定出力に不連続等の影響が発生する。また、クロックバイアス加速度に相関成分がある低価格クロック（ＸＯ）を使用する場合、リセット時にクロックバイアス加速度の影響により不連続が発生する。そこで、実施の形態１では、クロックバイアス加速度の影響を考慮した補正を行うことで、その不連続の発生の防止を図った。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】実施の形態１における測位装置１００の構成図。
【図２】実施の形態１における測位装置１００、ＧＰＳ受信機２００、演算機３００のハードウェア構成図。
【図３】実施の形態１におけるＧＰＳ受信機２００の構成図。
【図４】実施の形態１における演算機３００の構成図。
【図５】実施の形態１における測位演算部３７０の構成図。
【図６】従来のクロック誤差モデルを示す図。
【図７】実施の形態１におけるクロックバイアスを示すグラフ。
【図８】実施の形態１におけるクロックドリフトを示すグラフ。
【図９】実施の形態１におけるクロック誤差モデルを示す図。
【図１０】実施の形態１におけるクロックバイアス加速度を示すグラフ。
【符号の説明】
【００６３】
１００  測位装置、２００  ＧＰＳ受信機、２１０  ＧＰＳアンテナ、２２０  ＲＦフロントエンド処理部、２３０  ＸＯ、２４０  Ａ／Ｄ変換部、２５０  ベースバンドチップ処理部、３００  演算機、３１０  距離補正計算部、３２０  衛星位置／速度計算部、３３０  観測量補正部、３４０  相対運動計算部、３５０  残差計算部、３６０  リセット検出／補償部、３７０  測位演算部、３７１  時間外挿処理部、３７２  観測更新処理部、９１１  ＣＰＵ、９１２  バス、９１３  ＲＯＭ、９１４  ＲＡＭ、９１５  通信ボード、９２０  磁気ディスク装置、９２１  ＯＳ、９２３  プログラム群、９２４  ファイル群。
【図１】
2006189320.tif 000012
【図２】
2006189320.tif 000013
【図３】
2006189320.tif 000014
【図４】
2006189320.tif 000015
【図５】
2006189320.tif 000016
【図６】
2006189320.tif 000017
【図７】
2006189320.tif 000018
【図８】
2006189320.tif 000019
【図９】
2006189320.tif 000020
【図１０】
2006189320.tif 000021